裴學(xué)武

（青島科技大學(xué)，山東青島 266042）

0 引言

無(wú)線電對(duì)講機(jī)作為最早被人類使用的無(wú)線移動(dòng)通信設(shè)備，早在20世紀(jì)30年代就開(kāi)始得到應(yīng)用。在經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展后對(duì)講機(jī)的應(yīng)用已十分普遍，已從專業(yè)化領(lǐng)域走向普通消費(fèi)，從軍用擴(kuò)展到民用，在處理緊急突發(fā)事件中，在進(jìn)行調(diào)度指揮中其作用是其它通信工具所不能替代的。

但無(wú)線通訊距離受到大氣、障礙物的阻礙而傳輸不可能太遠(yuǎn)，傳統(tǒng)方法也無(wú)法做到太遠(yuǎn)距離傳輸， ROIP是將無(wú)線電所承載的語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)IP網(wǎng)進(jìn)行傳輸?shù)囊环N技術(shù)。它要解決的主要問(wèn)題是實(shí)時(shí)性和PTT信號(hào)的無(wú)錯(cuò)誤傳輸，從而解決無(wú)線電傳輸中受發(fā)射功率、天線靈敏度等約束傳輸距離的難題，不但實(shí)現(xiàn)了超長(zhǎng)距離無(wú)中繼互聯(lián)的目的，同時(shí)可以組成小功率分布式對(duì)講機(jī)信號(hào)覆蓋系統(tǒng)。從而實(shí)現(xiàn)ROIP語(yǔ)音通信的方式，徹底解決了大范圍、遠(yuǎn)距離、跨城市無(wú)線對(duì)講難題。

1 ROIP的技術(shù)原理

ROIP（Radio Over IP）技術(shù)主要是指從無(wú)線電臺(tái)上發(fā)出的語(yǔ)音信號(hào)不是選擇傳統(tǒng)的電磁波在空氣中傳播，而是通過(guò)Internet實(shí)時(shí)傳送語(yǔ)音信號(hào)。其基本原理是通過(guò)語(yǔ)音壓縮算法對(duì)話音進(jìn)行壓縮編碼處理。然后把這些語(yǔ)音數(shù)據(jù)按IP等相關(guān)協(xié)議進(jìn)行打包，經(jīng)IP網(wǎng)絡(luò)或Internet把數(shù)據(jù)報(bào)傳輸?shù)侥康牡?，再把這些語(yǔ)音數(shù)據(jù)包串起來(lái)，經(jīng)過(guò)解碼解壓處理恢復(fù)成原來(lái)的語(yǔ)音信號(hào)，從而達(dá)到由IP網(wǎng)絡(luò)傳送話音的目的。

2 ROIP網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 總體構(gòu)成

如圖1所示，音頻信號(hào)通過(guò)AC97芯片的數(shù)據(jù)處理后通過(guò)串口發(fā)送給CPU，CPU接收數(shù)據(jù)并通過(guò)網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)傳送到網(wǎng)口，網(wǎng)關(guān)主要由ARM最小系統(tǒng)、音頻解碼模塊以及電臺(tái)接口模塊組成。

2.2 ARM微處理器系統(tǒng)

微處理器系統(tǒng)是ROIP網(wǎng)關(guān)的核心單元，是系統(tǒng)主體程序的載體，負(fù)責(zé)不同功能協(xié)議棧的正常運(yùn)行和各分系統(tǒng)模塊的管理控制，本設(shè)計(jì)中選用三星的s3c2440微處理器。

圖1 ROIP網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)硬件架構(gòu)示意圖

2.3 音頻解碼模塊

通常的語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)采樣編碼成PCM語(yǔ)音流后帶寬為64 Kb/s，如此高的帶寬如直接接入到IP網(wǎng)絡(luò)勢(shì)必會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)資源的極大浪費(fèi)，如并發(fā)數(shù)過(guò)多會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)鏈路的阻塞從而嚴(yán)重影響語(yǔ)音質(zhì)量。

音頻解碼模塊主要負(fù)責(zé)完成語(yǔ)音的壓縮解壓工作，將CODEC編碼后的PCM碼流經(jīng)過(guò)算法處理后變成帶寬極小的壓縮語(yǔ)音碼流，而語(yǔ)音質(zhì)量卻不會(huì)太大損傷。另外由于語(yǔ)音業(yè)務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，需要對(duì)語(yǔ)音碼流封成合適IP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腞TP包，使之具有較高的網(wǎng)絡(luò)傳輸優(yōu)先級(jí)。

本方案利用ARM微處理器自帶的AC97控制器單元，控制器發(fā)送立體聲PCM數(shù)據(jù)給編解碼器。編解碼器中的外部數(shù)模轉(zhuǎn)換其轉(zhuǎn)換音頻采樣到模擬音頻波形?？刂破饕矎木幗獯a器接收立體聲PCM數(shù)據(jù)單聲道的MIC數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)存中，基于DMA操作和基于中斷操作，所有通道都僅支持16位采樣，壓縮算法采用G.729。

2.4 電臺(tái)接口模塊

電臺(tái)接口模塊主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：一是對(duì)電臺(tái)/對(duì)講機(jī)的語(yǔ)音信號(hào)實(shí)現(xiàn)匹配、放大、采樣、編碼功能，將模擬的語(yǔ)音信號(hào)變成適合處理傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)，音頻轉(zhuǎn)換芯片采用OP279，將電臺(tái)出來(lái)的平衡信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆瞧胶庑盘?hào)，并自帶電位器實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的放大，減小。

電臺(tái)接口模塊的另一個(gè)重要的功能是對(duì)對(duì)講機(jī)的控制和狀態(tài)信號(hào)實(shí)現(xiàn)操作，多個(gè)對(duì)講機(jī)同時(shí)只能有一路處于發(fā)送狀態(tài)，其它幾路只能處于收聽(tīng)狀態(tài)，這就需要根據(jù)對(duì)講機(jī)的狀態(tài)對(duì)對(duì)講機(jī)進(jìn)行有效的控制，對(duì)講機(jī)主要的控制信號(hào)有PTT和COR，在對(duì)講機(jī)端，針對(duì)沒(méi)有COR信號(hào)輸出的手持對(duì)講機(jī)設(shè)備，將由對(duì)講機(jī)語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)內(nèi)部通過(guò)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的處理產(chǎn)生VOX信號(hào)，作為對(duì)講機(jī)通信方式的狀態(tài)識(shí)別；而在網(wǎng)絡(luò)端，可以通過(guò)對(duì)RTP數(shù)據(jù)流的處理產(chǎn)生VOX信號(hào)。

2.5 軟件系統(tǒng)

考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，軟件平臺(tái)選用了Linux，系統(tǒng)的軟件部分主要分為AUDIO,COM_232，DATABASE,G729A_ARM,THREADPOOL等模塊。各模塊功能描述如下：

AUDIO模塊：即對(duì)講機(jī)交換模塊，此模塊主要完成所有和對(duì)講機(jī)接口相關(guān)的配置。根據(jù)對(duì)講機(jī)端口的狀態(tài)變化，報(bào)告給應(yīng)用程序模塊相應(yīng)的事件。

COM_232模塊：此模塊主要完成對(duì)串口驅(qū)動(dòng)功能，配置統(tǒng)一的串口波特率和校驗(yàn)位。

DATABASE模塊：此模塊主要是對(duì)各模塊數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和初始化讀取工作?？梢詫⒂脩魧?duì)系統(tǒng)進(jìn)行的配置通過(guò)此模塊保存起來(lái)，關(guān)機(jī)后下次啟動(dòng)時(shí)，用戶不需要重新配置設(shè)備。此模塊將從Flash中讀取上次保存的信息，初始化各個(gè)模塊。

G729A_ARM模塊：G729語(yǔ)音壓縮算法，對(duì)高寬帶的PCM語(yǔ)音流進(jìn)行壓縮，方便在網(wǎng)絡(luò)上傳輸。

THREADPOOL模塊：線程池，支持多個(gè)線程同時(shí)工作，本設(shè)計(jì)需要語(yǔ)音發(fā)送和語(yǔ)音解碼同時(shí)進(jìn)行，這樣就可以實(shí)現(xiàn)高度實(shí)時(shí)性，提高了工作效率。

3 終端測(cè)試

(1)基本功能測(cè)試:用戶添加、刪除、修改、查找 ,重復(fù)多次進(jìn)行登錄/注冊(cè)和注銷等。

(2)系統(tǒng)健壯性測(cè)試:重復(fù)進(jìn)行各種模式呼叫、通話質(zhì)量測(cè)試。

(3)可靠性測(cè)試:通過(guò)對(duì)ROIP 終端施加一定的外界環(huán)境應(yīng)力如高溫、低溫、振動(dòng) ,或在呼叫通話過(guò)程中使用短信息等功能 ,以檢查產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)。

(4)音頻指標(biāo)測(cè)試:檢查或測(cè)試發(fā)送音頻靈敏度、振鈴響度、受話器響度、失真度、側(cè)音等。

(5) DC功耗指標(biāo)測(cè)試:關(guān)機(jī)電流、待機(jī)電流、通話電流、待機(jī)時(shí)間的測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果：基于ARM的ROIP終端的基本功能正常，用戶接入建立延時(shí)平均值 T為 3 221.6 ms，遠(yuǎn)端電臺(tái)來(lái)話響應(yīng)時(shí)間小于 0.5 s，呼叫完成率達(dá)到 100 %，待機(jī)平均電流為 15 mA，通話平均電流為 295 mA。

4 結(jié)論

根據(jù)本設(shè)計(jì)的ROIP網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了電臺(tái)語(yǔ)音的IP接入功能，和對(duì)端的PC實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音通話，并且語(yǔ)音靈敏度可調(diào)，語(yǔ)音質(zhì)量?jī)?yōu)秀，為各種語(yǔ)音通信設(shè)備之間的協(xié)同通信提供了硬件基礎(chǔ)，對(duì)于政府和企業(yè)的公共安全應(yīng)急通信平臺(tái)建設(shè)意義重大。

[1]鄭紅.DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

[2]張沙沙.基于軟交換的VOIP信令協(xié)議研究于應(yīng)用[D].武漢:武漢理工大學(xué),2006.

[3]王古.基于軟交換技術(shù)的ROIP網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)[A].合肥:中國(guó)電子科技集團(tuán)第38研究所,2010.

[4]陳亞芳.無(wú)線語(yǔ)音通信降噪技術(shù)的研究和實(shí)現(xiàn)[D].長(zhǎng)沙:國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2007.

[5]劉欽,董培生.關(guān)于軍工業(yè)企業(yè)信息化中VOIP技術(shù)的分析與應(yīng)用[D].煙臺(tái):山東航天電子技術(shù)研究所,2006.

[6]施志康.智能天線跟蹤波束與切換波束的比較[J].無(wú)線通信技術(shù),2008.

[7]SINHAR,TODDT.D.Forward link capacity in smatr arrtenna based stations with dynamic slot allocation[J].IEEE Trans.on velucular Technolo gy,2009,50(4):1024-1038.

[8]RFC 3261,SIP: Session initiation protocol[S].America:IETF,2007.